低压电力线自动抄表系统浅谈

低压电力线自动抄表系统浅谈

内容提要一、自动抄表系统体系结构与组成（一）低压电力线基本特点（二）组成结构（三）2种组成方式的比较 ①全载波方式（载波一体方式） ②半载波方式（RS485+采集器组合方式）二、低压配电线信号特征（一）传输特性（二）噪声特性测量与分析

①典型城乡结合部配电线噪声频谱分析

②城镇典型高层楼宇配电线噪声频谱分析 ③城镇典型供电小区变频水泵对通信的影响（三）配电线信号衰减特性（四）配电线载波信号中心频率选择三、典型低压配电线通信芯片介绍（一）青岛东软电力线载波通信系列芯片（二）STMicroelectronics（意法半导体）的窄带FSK电力线转发器（三）Echelon（埃施朗）电力线收发器（四）福星晓程电力线载波芯片（一）低压电力线基本特点电力线特点： ①组网结构复杂②线路干扰噪声强③阻抗变化大④信号衰减大（二）低压自动抄表体系结构

①系统组成

用户电能计量装置

集中控制器

主站管理系统

①全载波抄表模式

指用户电能计量装置采用计量单元和低压电力线载波通信单元一体化设计，通过低压电力线链路直接与集中器进行数据交换。②半载波抄表模式是指计量装置具有RS485数据接口的标准电能计量仪表，其数据是由一个称为客户端数据采集终端通过RS485总线定时（或实时）地采集一个或多个电能计量仪表的数据，并通过低压电力线链路与集中器进行数据交换，存在增加客户端数据采集终端设备、敷设RS585线路、抗干扰性降低、安装调试复杂、管理难度增加，包括容易遭到人为破坏等问题。因此，低压电力线（全）载波自动抄表系统是最佳选择。2种载波组成方式比较

（二）低压配电线信号特征

传输特性典型噪声特性测量与分析配电线信号衰减特性配电线载波信号中心频率选择2.1传输特性①配电线是一种非均匀特性阻抗的传输线（分支和负载影响），呈电感特性（即感性），因此，配电线对高频信号有衰减作用.②每种用电设备都对电网有不同程度的噪声污染（谐波、脉冲等），特别是一些开关电源设备、非线性用电设备和大功率变频设备等。另外，由配电变压器铁心的饱和，磁化曲线的非线性引起的谐波干扰相对稳定。用电设备的接入和断开是随机性的，通常，其峰谷特性有时限特点。低压电网的噪声特性是制约电力线载波通信的关键因素.③线路阻抗随机变化（1）信号衰减大，且随频率f变化；（2）线路阻抗小，且随频率f、时间t变化；（3）噪声源多，且干扰强。2.2噪声特性测量①典型城乡结合部配电线噪声频谱分析1、对于欧洲EN500065标准规定载波通信频率范围（3kHz～148.5kHz），最佳通信频率的选择较难确定。从测试情况来看，仅有40kHz～100kHz频段可选。100kHz或120kHz显然不是最佳；2、最佳通信频点优先选择200kHz附近；270kHz接近极限。

典型城乡结合部配电线噪声频谱

②城镇典型高层楼宇配电线噪声频谱分析

结论1、城镇高层楼宇较城乡结合部的噪声幅度低许多，大约低20dBμV左右。2、100kHz～350kHz频率范围噪声相对较低，适合载波通信；大于500kHz频率范围噪声明显降低城镇典型高层楼宇配电线噪声频谱

③城镇典型供电小区变频水泵对通信的影响结论1、变频水泵对电网污染非常严重，噪声污染频率覆盖范围大于1MHz；由于变频器中的大功率整流和大功率逆变电路的存在，使其高次谐波对电网产生严重噪声污染，对于此类严重影响电能质量的设备，应当按照《GB/T14549-1993电能质量公用电网谐波》要求进行产品设计或限制，保证公用电网谐波电压水平在合理的范围内。2、欧洲EN500065规定的频率范围（3kHz～148.5kHz）显然不是最佳，较为理想的通信频点是324kHz，带宽为50kHz左右，270kHz频点在其范围内。城镇典型供电小区变频水泵对通信的影响噪声频谱

3配电线信号衰减特性配电线信号传输特性分析在配电线上传输载波信号，其信号传输特性分析如下：①60kHz～180kHz频率范围出现对信号衰减较大的低谷段；②180kHz～300kHz频率范围出现对信号衰减最小区域（在1MHz频率范围内）；③300kHz～640kHz频率范围又出现对信号衰减较大的低谷段；

结论

①配电线对载波信号有较大的衰减，近似呈指数规律衰减；②配电线对180kHz～300kHz频率范围内载波信号的衰减相对较小，应当结合对此频率范围的噪声分析结果来最终确定载波通信的最佳频点4

配电线载波信号中心频率选择目前，关于配电线载波信号频率的限制有如下几个标准：①EN50065欧洲标准（欧洲电工标准化委员会CENELEC制定）；②FCCPART15美国标准（美国联邦通信委员会FCC制定）；③DL/T698-1999低压电力用户集中抄表系统技术条件（中国电力行业标准）目前，较为流行几种低压配电线载波通信系统的载波频率分配见下表类别类别载波通信中心频率（kHz）STMicroelectronics

606672768286110132Echelon7586115132北京晓程120青岛东软270根据实际测量结果和分析，对于中国的供电质量、配电设备和线路、用户负荷大小和类型的情况，最佳的载波信号频率应在180kHz～300kHz频率范围内。三、典型低压配电线通信芯片介绍青岛东软电力线载波通信系列芯片

STMicroelectronics（意法半导体）的窄带FSK电力线转发器Echelon（埃施朗）电力线收发器福星晓程电力线载波芯片

4.1、青岛东软电力线载波通信系列芯片

4.1.1优点：主要致力于电力行业电力线载波自动抄表系统建设的专业化公司，不仅是一个芯片供应商，而且是一个全方位的解决方案提供商，包括芯片级、设备级、系统级、生产管理、现场管理、用户培训等诸多方面的技术支持与服务。在其载波通信芯片基础上构建起的载波计量仪表、智能集中器、主站抄表管理系统三层自动抄表系统，在系统的稳定性、可靠性、实用性和健壮性等方面，表现优良和突出；由于其载波通信与电能数据处理的紧密结合和芯片的系列化，保证了计量数据的一致性和数据交换的可靠性，同时，便于载波计量仪表的大规模生产、调校和管理；智能集中器性能稳定可靠、效率高。特别是，在中继路由算法研究方面独树一帜，通过高效的、自适应的、全自动的配电网络中继路由算法，自动感知配电网络拓扑结构，并能动态地适应配电网络的变化，充分保证了通信系统的可靠性和稳定性；主站抄表管理系统（通信服务器、数据库服务器、客户端）功能全面、操作灵活、专业化程度高；芯片价格适中。载波芯片应用层的设计与DL/T645－1997规范的紧密结合，带来了与复费率电能表和多功能电能表在数据标识、读写操作等方面的统一.

载波芯片三层网络结构，其中数据链路层的设计是基于高级数链路控制协议（HDLC），具有信息帧的长度可变、地址域长度可扩充性、帧中继转发机制等功能，提高了主站与从站之间数据交换的能力具有接收信号强度参数指示，为中继搜索算法提供支持，提高通信系统稳定性其中PLCi36C芯片与复费率电能表之间的通信协议完全遵循DL/T645－1997通信协议规范，给用户二次开发复费率载波表提供极大的方便性各系列载波载波一致、兼容设计，满足系统兼容性需要

4.1.2载波芯片特点

4.1.3集中控制器特点

采用抄表路由器与数据管理器独立设计方案，便于集中控制器的二次开发，同时可以方面的满足用户对集中控制器数据管理的特殊要求.

高效、完善抄读流程设计完善中继路由算法、路由信息自动学习与优化设计抄表路由器以任务方式管理，灵活性强，可以适应不同电表的抄读需要集中控制器一致、兼容性设计，可以同时满足抄读各类型载波电能表具备丰富的上行信道模式，以适应用户的实际需要系统集成度高，兼容性强，可以兼容各类型载波电能表或载波终端.

系统组成相对简单，可操作性强，便于调试与运行.

系统灵活性较高，便于系统维护与升级需要.4.1.4系统特点

4.1.5近期改进方向

电力线载波信号输出功率相对较低。虽然输出低功率信号对电网污染小是一个优点，但是，由于电力线对载波信号的高衰减特性，应当在满足要求的条件下，尽量提高一些信号发送功率来保证通信能力的一定提高。在其通信体系的基础，加快通信协议的国际化，向IEC62056《电能计量－用于抄表、费率和负荷控制的数据交换》国际标准的转化.

4.1.6青岛东软电力线载波通信与数据处理芯片的特点（以ES16U为例）功能特点参数描述调制类型FSK，63位直序列扩频通信载波频率270kHz传输速率330bps数字信号处理信号相关、信号识别、信号同步、噪声抑制、逻辑识别中继能力高效帧中继转发机制，支持3级中继深度信号强度指示为中继算法提供支持，通过通信系统的稳定性网络协议支持四层网络协议（物理层、数据链路层、网络层、应用层）电能脉冲计量支持电能脉冲的数据处理和存储能力控制支持继电器或断路器的控制显示驱动直接驱动脉冲计数器或I2C接口驱动LCD供电电源5V单电源封装形式PDIP284.2STMicroelectronics（意法半导体）的窄带FSK电力线转发器4.2.1ST的FSK电力线转发器产品线（目前）序号芯片名称描述数据率带宽kHz数据交换电压V封装1ST7538FSK电力线转发器48009.6BitStream7.5～12.5TQFP442ST7540FSK紧凑型电力线转发器48009.6BitStream7.5～12.5HTSSOP284.2.2ST7538电力线FSK转发器的特点（ST7538为例）

功能特点参数描述调制类型FSK移频键控，半双工8个可编程的载波频率60、66、72、76、82、86kHz：CENELECABand110kHz：CENELECBBand132kHz：CENELECCBand（缺省）4个可编程的波特率600bps、1200bps、2400bps（缺省）、4800bps发送信号同步过零检测（ZeroCrossing）频带内信号检测阀值：77dBμVrms高接收灵敏度1mVrms载波检测频率检测和同步头检测可编程外部接口串行同步、或异步集成电力线驱动器符合CENELEC50065，可编程的电流和电压控制集成电压稳压器100mA，5V±5%晶振频率16MHz单电源供电7.5～12.5V低功耗5mA封装形式TQFP444.2.3对ST的FSK电力线转发器的评价

优点：一款较为经典的FSK调制的电力线载波收发器，对基于电力线信道的自动抄表（AMR）的兴起作出重大贡献，特别是在上世纪90年代中期。载波中心频率可编程，有8个频率可供选择，频率范围满足欧洲、北美、中国等标准。通信波特率可编程，有4种速率可供选择。

缺点：STMicroelectronics是一个芯片级供应商，不提供自动抄表系统解决方案，导致通信设计与应用系统设计脱节，系统开发周期长。该芯片与外部的数据交换是一个无通信协议的位传输模式，需要后续（额外）的处理器（MCU）进行大量的通信协议的处理，包括中继路由算法的实现，增加了用户对应用系统地开发难度，这是最致命的缺陷。对于电力行业的电能计量装置来说，该芯片功能单一，除了按位流模式收发信号外，没有对电能计量仪表任何其它的增值支持。4.3Echelon（埃施朗）电力线收发器

4.3.1Echelon电力线收发器产品线（目前）序号芯片名称描述RAMROMEEPROMI/O封装1PLT-22电力线收发器单列直插模块(厚膜)2PL3120智能电力线收发器2KB24KB4KB12TSSOP383PL3150智能电力线收发器2KB外部扩展0.5KB12LQFP644.3.2Echelon电力线收发器PL3120/3150的特点

功能特点参数描述调制类型窄带双载波频率载波频率CENELECABand：86kHz（第一频率）、75kHz（第二频率）CENELECCBand：132kHz（第一频率）、115kHz（第二频率）波特率5.4kbps（C-Band）、3.6kbps（A-Band）纠错编码前向纠错FEC数字信号处理DSP抑制噪声、相位畸变校正串行外部接口UART、SPII/O端口12个网络协议栈存储器ROM24KB（仅PL3120）外部存储器ROM支持最大58KB网络协议栈和应用程序（仅PL3150）应用代码存储器（EEPROM）4KB（PL3120）、0.5KB（PL3150配置数据）网络数据缓冲器RAM2KB供电电源数字5V和模拟5V双电源最大功耗250mW封装形式TSSOP38（PL3120）、LQFP64（PL3150）4.3.3对Echelon电力线收发器的评价

优点：采用窄带双载频自动切换通信技术，利用数字信号处理的方法克服噪声干扰和校正信号相位畸变现象，并通过前向纠错对突发位错误进行纠正。PL3120芯片内部本身支持LonWorks网络协议；而对于大于4KB代码的应用，是PL3150是通过外部程序存储器ROM来支持LonWorks网络协议和应用程序。支持LonWorks网络协议标准是Echelon电力线收发器的最大特色，虽然该标准是由Echelon本身发起和创立，并受到美国ANSI的保护，但是我们不能忽视Echelon在控制网络标准化方面所做出的努力。

缺点：虽然窄带双载频通信是Echelon的特点，但是，窄带双载频通信模式的确定是基于对当时当地的家用电器设备（调光灯、开关电源、无绳电话、小型电机等）产生的噪声研究，随着新型家用电器的出现（特别是一些节能设备，如变频空调、变频冰箱等），必然会对选定的2个载波频率造成影响；另一方面，2个载波频率差较小（A波段频差为11kHz，C波段频差为17kHz），容易受到限带噪声的影响。虽然LonWorks控制网络协议是第一个实现了OSI的七层网络协议，对于高速的双绞线、同轴电缆、光纤、无线通信介质是适合的，但是对于低速数据传输的电力线信道来说，协议过于复杂、数据吞吐量大、效率低下，因此Echelon通过窄带技术进行弥补。芯片价格昂贵

。4.4福星晓程电力线载波芯片

4.4.1福星晓程电力线载波通信芯片产品线（目前）序号芯片名称描述调制通信方式数据交换内置MCU封装1PL2102电力线扩频调制/解调器DPSK15位直序列扩频BitStreamSOP242PL3105通用智能仪表SoCDPSK15位直序列扩频BitStream8051兼容LQFP643PL3201单相多功能载波电能表SoCQPSK15～63位CDMAByte8051兼容LQFP80LQFP1004.4.2福星晓程电力线载波通信芯片的特点（以PL3105为例)功能特点参数描述调制类型DPSK，15位直序列扩频通信载波频率120kHz传输速率500bps/250bps可选MCU内核8051兼容程序存储器EEPROM16K字节SRAM1K字节串行接口2个UART定时器/计数器3个16位定时